CN106092430A - 一种梳齿电容式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种梳齿电容式压力传感器，其特征在于：包括可动电极、固定电极、连接可动电极和固定电极的弹性绝缘连接件以及分别设置于可动电极和固定电极两相对面上的多个梳齿电极，位于可动电极上的梳齿电极与位于固定电极上的梳齿电极相互平行地等间距交错排列，形成多个梳齿电极对；且可动电极上的梳齿电极和固定电极上的梳齿电极分别按照高度梯度变化排列；相邻梳齿之间的间距小于梳齿顶端到对面极板的距离的1/5。该压力传感器不仅具有较高的综合灵敏度，而且通过对梳齿电极设计不同的梯度模型，可以调节出不同的电容‑压力关系曲线和灵敏度变化曲线，从而使得该种压力传感器适用范围更广，同时还具有可控、易控的灵敏度。

Description

一种梳齿电容式压力传感器

技术领域

本发明涉及电容式压力传感器，尤其涉及一种梳齿电容式压力传感器。

背景技术

电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换为与之成一定关系的电容信号输出的压力传感器。其结构简单，可以进行动态测量，广泛应用于各种工作环境。

对于平行板电容式压力传感器，使用可移动导体作为电容的可动电极，固定导体作为电容的固定电极，通常可动电极连接直流电源正极，固定电极连接直流电源负极。在可移动导体即可动电极受到压力时，两电极产生上下相对位移，导致极板间距离改变，从而引起传感器输出电容改变，通过外接电路检测电容量变化，从而测出施加在压力传感器上的压力大小。在极板间的弹性介质的弹性模量恒定的条件下，极板间距变化量与施加在传感器上的压力呈正比关系，传感器输出电容与极板间距呈反比关系。在极板面积和弹性介质均不变的情况下，为了提高初始电容值，需要减小极板间距；在极板间距较小时，压力的微小变化将引起输出电容的较大变化。可见，平行板电容式压力传感器的灵敏度在极板间距较小时不易控制。

为了增加电容的有效面积，提高初始电容值和传感器的灵敏度，梳齿电极电容式压力传感器是一种常用的方法。现有的梳齿电极电容式压力传感器是在平行板电容式电极的基础上，增加了若干相互平行交错且等高的梳齿电极对，分别位于可动电极和固定电极的相对面上。如此设计的电容式压力传感器，初始电容值增大，灵敏度有所提高，便于后续电路测量。然而，此种电容式压力传感器在受到压力而使上、下极板产生相对位移的过程中，灵敏度始终保持不变。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种梳齿电容式压力传感器，通过在上、下极板的相对面上分别设计相互平行交错且高度呈梯度排列的梳齿电极，使得该压力传感器不仅具有较高的综合灵敏度，而且通过对梳齿电极设计不同的梯度模型，可以调节出不同的电容-压力关系曲线和灵敏度变化曲线，从而使得该种压力传感器适用范围更广，同时还具有可控、易控的灵敏度。

本发明为达上述目的提出的技术方案如下：

一种梳齿电容式压力传感器，包括可动电极、固定电极、连接可动电极和固定电极的弹性绝缘连接件以及分别设置于可动电极和固定电极两相对面上的多个梳齿电极，位于可动电极上的梳齿电极与位于固定电极上的梳齿电极相互平行地等间距交错排列，形成多个梳齿电极对；且可动电极上的梳齿电极和固定电极上的梳齿电极分别按照高度梯度变化排列；相邻梳齿之间的间距小于梳齿顶端到对面极板的距离的1/5。

下面通过对比分析现有的具有等高式梳齿电极的电容式压力传感器(后述简称“等高式传感器”)的性能，来阐述本发明的有益效果：

首先，由于相邻梳齿之间的间距小于梳齿顶端到对面极板的距离的1/5，则极板间垂直于极板方向上的电容可忽略不计，即传感器的电容值主要取决于沿平行于极板方向紧密排列的多个梳齿电极对的电容总和；

对于等高式传感器而言，每一对独立的梳齿电极具有相同的输入输出特性，即：

在式(1)中，C₀表示一对梳齿电极的初始电容，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，l₀为一对梳齿电极内的两个梳齿电极的初始重合高度，t₀为梳齿电极的厚度，d₀为相邻两个梳齿的间距；

当等高式传感器的可动电极受到压力F的作用时，弹性绝缘连接件受到的压强(或称应力)σ_n＝F/A₀，A₀为弹性绝缘连接件与上、下极板连接处的接触面积，则弹性绝缘连接件受力后被压缩的形变量为σ_n·g₀/E，g₀、E分别为弹性绝缘连接件的初始高度、弹性模量，初始重合高度l₀受应力σ_n＝F/A₀的激励变为l′＝l₀+σ_n·g₀/E，代入式(1)，得到受力后的输入输出特性为：

$C^{\′}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·l^{\′}\·t_0}{d_0}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·\left(l_0+{\mathrm{\σ}}_n\·g_0/E\right)\·t_0}{d_0}=C_0\·(1+\frac{g_0}{l_0\·E}\·{\mathrm{\σ}}_n)---\left(2\right)$

从式(2)可以看出，对等高式传感器施加压力，每个梳齿电极对的输出电容C′与所受应力σ_n呈线性关系，其灵敏度S为：

其中ΔC为电容变化量，即ΔC＝C'-C₀，Δσ_n为应力变化量。

从式(3)可以看出，等高式传感器的灵敏度仅与弹性绝缘连接件的初始高度g₀、初始重合高度l₀有关，当一个等高式传感器设计完成后(其g₀和l₀都已固定)，则其灵敏度不会再随施加的压力大小变化而变化。

根据式(2)，等高式传感器在受到压力F后的总输出电容为：

n表示梳齿电极对的总对数。

而本发明的梯度式传感器，在受力后的总输出电容为：

$\begin{array}{c}{C_{total}}^{\′}=C_1^{\′}+C_2^{\′}+...+C_n^{\′}\\ =C_{01}\·(1+\frac{g_0}{l_{01}\·E}\·{\mathrm{\σ}}_n)+C_{02}\·(1+\frac{g_0}{l_{02}\·E}\·{\mathrm{\σ}}_n)+...+C_{0n}\·(1+\frac{g_0}{l_{0n}\·E}\·{\mathrm{\σ}}_n)\end{array}---\left(5\right)$

式(5)中，各梳齿电极对具有不同的初始重合高度l₀₁、l₀₂、……、l_0n，而且初始时有些电极对尚未重合，则这些电极对之间不存在初始电容，在正压力作用下，随着弹性绝缘连接件的压缩，两极板间距减小，在压缩过程中：初始时已具有重合面积的梳齿电极对继续增加重合面积，这些梳齿电极对的电容与压力呈线性关系；初始时未重合的梳齿电极对逐步产生重合，灵敏度随着新重合梳齿电极对的增加而增加。同时，由于在此过程中才开始重合的电极对，在刚开始重合时其电荷量在两梳齿重合的相对面分布较高，电场强度较大，电容瞬间增大，使得整体电容变化率出现较大幅度增长，从而传感器灵敏度在此效应下得到显著提高。可见，梯度式传感器的灵敏度在受力过程中是可变的、可调节的，并且由于电容-压力关系曲线是由梳齿高度的梯度模型所决定，对于每一特定的梯度模型，都具有其对应的电容-压力关系曲线，也能够得出灵敏度随压力变化的关系曲线(即灵敏度变化曲线)，这使得本发明的传感器能够适用于更广的范围，尤其适用于使用过程中需要灵敏度有所变化的环境中，用户能够根据实际使用需求(使用过程中灵敏度需要如何变化)设计出对应的梳齿高度梯度变化模型，从而设计出特定需求的传感器。

优选地，所述可动电极为上极板，所述固定电极为下极板，所述弹性绝缘连接件用于连接上、下极板的边缘。

优选地，所述多个梳齿电极包括第一梳齿电极组和第二梳齿电极组；所述第一梳齿电极组垂直地设于上极板的下表面，包括多个相互平行且高度呈第一梯度排列的梳齿电极；所述第二梳齿电极组垂直地设于下极板的上表面，包括多个相互平行且高度呈第二梯度排列的梳齿电极；每个梳齿电极对均是由第一梳齿电极组内的一个梳齿电极和与之相邻的位于第二梳齿电极组内的一个梳齿电极构成，并且各梳齿电极对的两个梳齿电极空气绝缘。

优选地，所述第一梯度与所述第二梯度具有大小相同但方向相反的梯度模型。

优选地，所述第一梯度与所述第二梯度具有完全相同的梯度模型。

优选地，各梳齿电极的本体为绝缘材质，在表面沉积有导电金属层。

优选地，上、下极板的本体为绝缘材质，在上极板的下表面和下极板的上表面分别沉积导电金属层。

优选地，上、下极板具有相同尺寸参数，各梳齿电极的长度与上、下极板的长度相同。

附图说明

图1是本发明优选实施方式提供的梳齿电容式压力传感器的主视图；

图2是本发明的梳齿电极细节图；

图3是本发明的梳齿电容式压力传感器的俯视图；

图4是现有的等高式梳齿电容压力传感器的输入输出特性仿真图；

图5是本发明实施例1梯度式梳齿电容压力传感器的输入输出特性仿真图；

图6是本发明实施例2梯度式梳齿电容压力传感器的输入输出特性仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和优选的实施方式对本发明作进一步说明。

说明：后文将本发明提供的传感器称为“梯度式传感器”，将现有技术中的具有等高梳齿电极的电容式压力传感器称为“等高式传感器”。

本发明的具体实施方式提供一种梳齿电容式压力传感器，参考图1和图2，包括可动电极10、固定电极20、连接可动电极10和固定电极20的弹性绝缘连接件30以及分别设置于可动电极10和固定电极20两相对面上的多个梳齿电极，位于可动电极10上的梳齿电极11、12、13、…与位于固定电极20上的梳齿电极21、22、23、…相互平行地等间距交错排列，形成多个梳齿电极对；且可动电极10上的梳齿电极和固定电极20上的梳齿电极分别按照高度梯度变化排列；相邻梳齿之间的间距d₀小于梳齿顶端到对面极板的距离的1/5(即两极板之间垂直于极板方向上的电容可忽略不计)。

如图1所示，在优选的方案中，可动电极10作为上极板，固定电极20作为下极板，弹性绝缘连接件30用于连接上、下极板的边缘。上、下极板可以为金属板，也可以是绝缘材质，但是在两者相对的面上(即设置有梳齿的面)沉积导电金属层；梳齿电极由于厚度t₀较薄(几十微米级)，一般不直接采用金属材质，而是采用非导电的材质然后在整个表面沉积导电金属层。

如图1至图3所示，在一种具体的实施方式中，所述多个梳齿电极包括第一梳齿电极组和第二梳齿电极组；所述第一梳齿电极组垂直地设于上极板的下表面，包括多个相互平行且高度呈第一梯度排列的梳齿电极11、12、13、…；所述第二梳齿电极组垂直地设于下极板的上表面，包括多个相互平行且高度呈第二梯度排列的梳齿电极21、22、23、…；每个梳齿电极对均是由第一梳齿电极组内的一个梳齿电极和与之相邻的位于第二梳齿电极组内的一个梳齿电极构成，并且各梳齿电极对的两个梳齿电极空气绝缘。例如，梳齿电极11与梳齿电极21构成一个梳齿电极对，梳齿电极12分别与梳齿电极21、22各形成一个梳齿电极对，以此类推。使得在两极板之间平行于极板的方向(水平方向)上形成多个紧密排列的梳齿电极对，由于梳齿电极对内两梳齿的间距很小，从而本发明的梯度式传感器的电容值主要考虑水平方向上梳齿电极对的电容之和。

优选的方案中，上、下极板具有相同的尺寸参数，并且各梳齿电极的长度a与上(下)极板的长度相同。

实施例1

本实施例提供的梯度式传感器的参数如下：上、下极板分别电连接+5V电源、GND(接地)，上、下极板的初始间距即弹性绝缘连接件30的初始高度为75μm，上极板长300μm、宽300μm、厚度50μm，下极板长300μm、宽300μm、厚度50μm，各梳齿电极的长a＝300μm、厚度t₀＝10μm，第一组梳齿电极(位于上极板上)的高度(参考图1，从左至右)呈梯度排列分别为50μm、48μm、46μm、44μm、42μm(在此仅列举五个)，第二组梳齿电极(位于下极板上)的高度(参考图1，从左至右)呈梯度排列分别42μm、44μm、46μm、48μm和50μm的梳齿电极。当上极板受到正压力时，弹性绝缘连接件30被压缩，引起极板间距减小即两极板间产生相对位移。通过外接电路检测或者仿真得出输出电容与极板相对位移之间的关系如图5所示(由于极板相对位移与压力呈正比关系，因此图5即可表征电容-压力曲线关系，图4和图6也如此)，综合灵敏度(在受力过程中，变化的灵敏度的平均值)为：

对比等高式传感器的仿真结果图4，灵敏度为134％，可看出本实施例中利用反向梯度式梳齿分布设计能够明显地提高灵敏度，而且在施加压力的过程中，本发明的梯度式传感器的灵敏度可以随着新重合的梳齿电极对的增加而增加，适用于需要灵敏度变化的特殊场合。由于梯度设计的模型是已知的，因此灵敏度变化曲线是可推导出的，因此即便灵敏度较高且不断变化，也是可控的。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：上、下极板的梳齿电极高度梯度设计正好相同(梯度模型与变化方向均相同)，其余参数均相同。其仿真结果如图6，综合灵敏度为可看出此类梯度式传感器的灵敏度相对于等高式传感器，也有所提高。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种梳齿电容式压力传感器，其特征在于：包括可动电极、固定电极、连接可动电极和固定电极的弹性绝缘连接件以及分别设置于可动电极和固定电极两相对面上的多个梳齿电极，位于可动电极上的梳齿电极与位于固定电极上的梳齿电极相互平行地等间距交错排列，形成多个梳齿电极对；且可动电极上的梳齿电极和固定电极上的梳齿电极分别按照高度梯度变化排列；相邻梳齿之间的间距小于梳齿顶端到对面极板的距离的1/5。

2.如权利要求1所述的梳齿电容式压力传感器，其特征在于：所述可动电极为上极板，所述固定电极为下极板，所述弹性绝缘连接件用于连接上、下极板的边缘。

3.如权利要求2所述的梳齿电容式压力传感器，其特征在于：所述多个梳齿电极包括第一梳齿电极组和第二梳齿电极组；

所述第一梳齿电极组垂直地设于上极板的下表面，包括多个相互平行且高度呈第一梯度排列的梳齿电极；

所述第二梳齿电极组垂直地设于下极板的上表面，包括多个相互平行且高度呈第二梯度排列的梳齿电极；

每个梳齿电极对均是由第一梳齿电极组内的一个梳齿电极和与之相邻的位于第二梳齿电极组内的一个梳齿电极构成，并且各梳齿电极对的两个梳齿电极空气绝缘。

4.如权利要求3所述的梳齿电容式压力传感器，其特征在于：所述第一梯度与所述第二梯度具有大小相同但方向相反的梯度模型。

5.如权利要求3所述的梳齿电容式压力传感器，其特征在于：所述第一梯度与所述第二梯度具有完全相同的梯度模型。

6.如权利要求3所述的梳齿电容式压力传感器，其特征在于：各梳齿电极的本体为绝缘材质，在表面沉积有导电金属层。

7.如权利要求6所述的梳齿电容式压力传感器，其特征在于：上、下极板的本体为绝缘材质，在上极板的下表面和下极板的上表面分别沉积导电金属层。

8.如权利要求3所述的梳齿电容式压力传感器，其特征在于：上、下极板具有相同尺寸参数，各梳齿电极的长度与上、下极板的长度相同。